Компьютерное моделирование системы определения координат очага взрыва на основе пространственного многоточечного анализа оптического излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Компьютерное моделирование системы определения координат очага взрыва на основе пространственного многоточечного анализа оптического излучения

С.А. Лисаков (аспирант Бийского технологического института (филиал) ФГБОУ ВПО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова»)

А.Н. Павлов (канд. техн. наук, доцент кафедры Бийского технологического института (филиал) ФГБОУ ВПО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова»)

Е.В. Сыпин (канд. техн. наук, доцент, профессор кафедры Бийского технологического института (филиал) ФГБОУ ВПО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова»)

Е.Я. Кулявцев (аспирант Бийского технологического института (филиал) ФГБОУ ВПО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова»)

Описан принцип построения системы, предназначенной для определения пространственного расположения очага взрыва в потенциально опасном охраняемом объекте сложной формы на основе пространственного многоточечного анализа оптического излучения и сформулированы подходы к моделированию системы. Проведен анализ результатов компьютерного моделирования системы.

Работа выполнялась при поддержке гранта Президента Российской Федерации для поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук МК-4677.2012.8.

Ключевые слова: КОМПЬЮТЕРНАЯ, МОДЕЛЬ, МНОГОТОЧЕЧНЫЙ, МЕТОД, КОНТРОЛЬ, ОЧАГ, ВЗРЫВ, ОПТИЧЕСКАЯ, СИСТЕМА, ВЗРЫВОЗАЩИТА

взрыв очаг объект охраняемый

ВВЕДЕНИЕ

В горном производстве наиболее тяжелыми по своим последствиям по-прежнему остаются аварии, связанные с воспламенением метана и угольной пыли, которые в большинстве случаев носят характер катастроф. Они сопровождаются значительными человеческими жертвами, приводят к крупным материальным потерям, наносят повреждения подземным коммуникациям и оборудованию, нередко разрушают их или выводят из строя.

В настоящее время предупреждение и локализация взрывов в шахтах приобретают особую значимость, становятся не только актуальной задачей, но и чуть ли не единственным способом жизнеобеспечения в шахтах и сохранения предприятия [1].

В мировой практике усовершенствование оборудования взрывозащиты ведется по пути создания принципиально новых средств - автоматических систем, способных локализовать взрыв на начальной стадии развития. Для обеспечения максимального быстродействия такие системы строятся на базе оптико-электронных датчиков. Однако большинство из них фиксируют только факт возникновения возгорания. Получение же дополнительно информации о координатах очага взрыва позволяет строить более эффективные и безопасные системы локализации взрывов [2] и [3].

В случае охраны объекта сложной формы перспективным является применение многоточечного метода контроля. Данный метод основан на организации распределенной сети оптико-электронных датчиков, расположенных по периметру охраняемого объекта и фиксирующих излучение в оптическом диапазоне, контролируя температуру охраняемого объекта. В случае возникновения возгорания по распределению показаний датчиков можно судить о координатах очага возгорания.

 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В связи с вышеизложенным была сформулирована цель - разработать компьютерную модель системы определения координат очага взрыва на основе пространственного многоточечного анализа оптического излучения, позволяющую оценить параметры ее работы на стадии проектирования.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:

- разработать структурную схему и сформулировать исходные данные для построения модели системы;

- разработать модель преобразования сигнала от очага взрыва датчиком системы с учетом влияния поглощения промежуточной средой;

- провести исследование работы системы на основе разработанной компьютерной модели.

ТЕОРИЯ

Разрабатываемая система должна определять пространственное расположение очага взрыва в потенциально опасном техногенном объекте сложной формы, обладать высоким быстродействием (достаточным для регистрации взрыва на начальной стадии) и работать в тяжелых оптических условиях газодисперсной среды.

Структурная схема системы определения координат очага взрыва на основе пространственного многоточечного анализа оптического излучения представлена на рисунке 1.

Д - оптико-электронный датчик; УВв - устройство ввода; Увыв - устройство вывода;

УУС - устройство управления сетью; ВК - вычислительный комплекс;

УСОП - устройство связи с оператором; ИФМ - интерфейсный модуль;

ПЭВМ - персональная ЭВМ; ВПУ - взрывоподавляющее устройство

Рисунок 1 - Структурная схема системы определения координат очага взрыва на основе пространственного многоточечного анализа оптического излучения

Предлагаемая система построена на основе распределенной сети простых и надежных оптико-электронных датчиков, обладающих высокой чувствительностью и быстродействием, а также способных работать в сложных оптических условиях газопылевой среды. Датчики (Д) (рисунок 1) специальным образом устанавливаются по периметру охраняемого объекта и регистрируют мощность оптического излучения каждый в своем угловом поле. Зная точное пространственное расположение датчиков, можно определить координаты источника оптического излучения внутри охраняемой области. Этим источником может быть как возгорание, так и источники искусственного освещения, являющиеся оптическими помехами. Однако применение специальных методов пространственной и оптической фильтрации позволяет исключить влияние оптических помех и регистрировать только аварийные ситуации, связанные с возгоранием.

Все датчики через согласующие устройства ввода (УВв) объединены в единую систему посредством высокоскоростной промышленной сети 1, обеспечивающей полный цикл опроса с гарантированной доставкой измерительной информации за время, не превышающее 3 мс.

Для управления передачей информации внутри сети и исключения конфликтных ситуаций используется устройство управления сетью (УУС), через которое информация с датчиков поступает в вычислительный комплекс (ВК). По аналогичной схеме к ВК подключены быстродействующие взрывоподавляющие устройства (ВПУ), предназначенные для точечной локализации очага возгорания внутри охраняемой зоны. Сигнал активации подается через УУС на соответствующее устройство вывода Увыв, которое активирует связанное с ним ВПУ. Подобная организация системы обеспечивает локализацию очага возгорания на начальной стадии, не позволяя ему развиться до стадии детонации.

Вычислительный комплекс построен на основе высокопроизводительного микропроцессора и выполняет следующие функции: производит опрос оптико-электронных датчиков; выполняет обработку полученной измерительной информации; принимает решение о наличии очага возгорания; определяет координаты очага возгорания; выдает сигнал активации для соответствующего ВПУ; передает данные о текущем состоянии системы на пульт оператора.

Для настройки системы на месте предусмотрено подключение устройства связи с оператором (УСОП) через USB интерфейс. Данные о текущем состоянии системы поступают на удаленный пульт оператора (для контроля исправности элементов системы, для регистрации времени срабатывания системы и т.д.), поэтому для передачи нет необходимости использовать дорогостоящую высокоскоростную сеть, и используется широко распространенный интерфейс RS-485. Для согласования USB интерфейса с интерфейсом RS485 используются интерфейсные модули (ИФМ).

На основе анализа структурной схемы системы были сформулированы следующие исходные данные для построения ее модели: геометрические параметры охраняемой зоны и координаты расположения датчиков; параметры очага: температура, диаметр, координаты; параметры датчиков: диаметр входного зрачка, угловое поле, спектральный коэффициент пропускания оптической системы; параметры приемников излучения: спектральная токовая чувствительность и среднеквадратическое значение шума на выходе фотоприемника; параметры электронного блока датчика.

МОДЕЛЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛА ОТ ОЧАГА ВЗРЫВА ДАТЧИКОМ СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ОЧАГА ВЗРЫВА

Значение потока излучения от очага взрыва на входном зрачке оптико-электронного датчика зависит от свойств излучателя (очага возгорания), среды распространения излучения и от параметров датчика.

Обобщенная схема преобразования сигнала в датчике системы представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Обобщенная схема преобразования сигнала от очага взрыва датчиком системы

Очаг взрыва можно представить в виде площадного излучателя, который является серым телом с коэффициентом излучения еТ. Коэффициент излучения еТ учитывает количество тепла, рассеи-вающегося излучением; для метана он равен 0,20, для про-пана - 0,33, для углеводородов с молекулярной массой бо-лее 44 - 0,40 [4]. Для описания очага также необходимо иметь значение температуры Tоч и диаметра Dоч, приняв, что очаг на ранней стадии имеет правильную сферическую форму [5].

Для анализа параметров потока теплового излучения от объекта используется зависимость величины и спектрального распределения плотности энергии излучения абсолютно черного тела от его температуры, описываемая формулой Планка [6]:

,(1)

где T - температура, К; С1=3,7416•10-16 Вт•м2; С2=1,43879•10-2 м•К; л - длина волны излучения, м.

Промежуточная среда (твердые, жидкие и газообразные элементы, находящиеся между датчиком и очагом взрыва) может оказывать существенное влияние на точность определения температуры по излучению объекта.

Поглощательную способность промежуточной среды можно определить по закону Бугера-Ламберта-Бера:

, (2)

где k(л) - спектральный коэффициент ослабления излучения, м-1; l - толщина поглощающего слоя по линии визирования, м [7].

Наиболее существенное влияние на работу датчика оказывают частицы угольной пыли, взвешенные в промежуточной среде. Расчет спектрального коэффициента ослабления излучения является сложным и трудоемким, так как зависит от множества факторов, таких как влажность воздуха и температура. Обычно этот расчет ведется на основании полученных экспериментальных данных и эмпирических формул. Экспериментальные исследования поглощения частицами угольной пыли с размером более 15 мкм показывают, что спектральная поглощательная способность в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне уменьшается с ростом длины волны [8].

В источнике [9] приведено выражение для определения коэффициента пропускания оптической системы фо, которое учитывает потери на поглощение и отражение внутри оптической системы:

(3)

где - коэффициент отражения от поверхности деталей на границе воздух - стекло для непросветленных деталей из стекла с показателем преломления n; б - коэффициент поглощения стекла оптических деталей системы; h - длина осевого луча в деталях, см; R - коэффициент отражения зеркальных непрозрачных покрытий и светоделительных покрытий; T - коэффициент пропускания светоделительных покрытий; m - число деталей схемы, кроме зеркал с внешним отражающим покрытием; q - число поверхностей, граничащих с воздухом, кроме поверхностей с зеркальным и светоделительным покрытиями; s - число поверхностей с зеркальным непрозрачным покрытием и светоделительным покрытием в условиях работы на отражение; p - число поверхностей со светоделительным покрытием в условиях работы на пропускание света.

Для излучателя со свойствами серого тела при спектральной селективности излучения и пропускания среды поток на выходе оптической системы:

(4)

где - поток на выходе системы, Вт; D - диаметр входного зрачка, м; l - расстояние до излучателя, м; ДA - видимая площадь излучателя, расположенного на оси системы, м2.

Очевидно, что величина через l (см. выражения (2), (4)) зависит от взаимного расположения очага возгорания (x; y; z) и каждого из датчиков. Видимая площадь излучателя ДA определяется диаметром очага возгорания Dоч.

Поток с выхода оптической системы поступает на фотоприемник, в качестве которого используется кремниевый фотодиод. К достоинствам фотодиода можно отнести стабильность параметров при изменении температуры, влажности, давления окружающей среды, возможность работать с большим обратным напряжением (до 100 В), достаточно высокую обнаружительную способность, низкий уровень шумов, малое значение постоянной времени (до 10-6 с).

Суммарный ток на выходе фотодиода, включенного в фотодиодном режиме, рассчитывается по формуле:

, (5)

где IT - темновой ток фотодиода, А; IФ - фототок, обусловленный внешним излучением, А; SI ()- спектральная токовая чувствительность, А/Вт.

Отношение сигнал - шум на выходе фотоприемника рассчитывается по формуле:

, (6)

где - среднее квадратическое значение шума на выходе приемника, А.

Для уверенного приема сигнала на фоне шумов необходимо, чтобы полезный сигнал (фототок) IФ превышал среднее квадратическое значение шума в 2 раза, т.е.

Ток с выхода фотодиода поступает на электронный блок, который выполняет функцию преобразователя ток-напряжение (ПТН).

, (7)

где - напряжение на выходе ПТН, В; - коэффициент преобразования ПТН, В/А.

На выходе электронного блока формируется нормированный сигнал (напряжение 0-5 В).

Таким образом, используя соотношения (1) - (5) и (7) можно рассчитать в каждый момент времени на выходе датчиков системы совокупность сигналов, зависящих от расположения очага возгорания при условии, что Tоч = const и Dоч =const:

(8)

где x, y, z - координаты очага взрыва, м; - сигналы на выходах датчиков, В.

К сожалению, аналитическое решение системы (8) с целью определения координат очага взрыва практически невозможно получить.

В качестве возможных способов определения координат очага взрыва можно предложить следующие:

- расчет корреляционной функции выходных сигналов датчиков;

- использование интерполяционных полиномов для обработки сигналов датчиков;

- использование нейросетевых алгоритмов обработки сигналов датчиков.

ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ

Для проверки адекватности компьютерной модели были проведены эксперименты двух типов:

исследование зависимости напряжения на выходе лабораторного образца датчика системы от расстояния до источника излучения;

исследование зависимости напряжения на выходе лабораторного образца датчика системы от температуры источника излучения.

При проведении исследования первого типа в качестве источника излучения используется пламя горелки пропановой газовой Rexer RB-04-040. При проведении исследования второго типа в качестве источника излучения используется образцовая температурная лампа ТРУ 1100-2350.

Упрощенная конструкция лабораторной установки с источником излучения в виде пламени показана на рисунке 3.

Установка представляет собой две металлические стойки 1 и 2 с полками 3 и 4, способными перемещаться вертикально для установки требуемой высоты. Стойка 1 предназначена для установки датчика 5. Стойка 2 служит для установки источника излучения и имеет крепление для газовой горелки 6. Газ подается в горелку из бытового газового баллона 9 через редуктор, понижающий давление газа, и вентиль 7, предназначенный для регулировки расхода газа и, соответственно, для установки требуемого размера пламени. Оценка размера пламени 8 осуществляется визуально с помощью измерительной линейки.

На рисунке 4 показаны полученные при эксперименте и моделировании зависимости напряжения на выходе датчика при изменении расстояния до источника излучения.

Зависимости имеют сходный характер по мере увеличения расстояния от датчика до источника излучения. Расхождение между зависимостями связано с неточным измерением размера пламени горелки и отклонением реального значения коэффициента излучения пропана от рассчитанного теоретически. Подбор указанных параметров позволяет добиться более точного совпадения результатов моделирования и результатов экспериментальных исследований.

На рисунке 5 показаны полученные зависимости при изменении температуры источника излучения.

1,2 - стойки; 3,4 - подвижные полки с фиксаторами; 5 - датчик; 6 - газовая горелка; 7 - вентиль регулировки расхода газа; 8 - пламя; 9 - бытовой газовый баллон

Рисунок 3 - Конструкция лабораторной установки

Рисунок 4 - Графики зависимости напряжения U, В, на выходе датчика от расстояния l , м, до излучателя

Рисунок 5 - Графики зависимости напряжения U, В, на выходе датчика от температуры Т, 0 С, излучателя

Зависимости также имеют сходный характер по мере увеличения температуры источника излучения. Расхождение экспериментальной и теоретической зависимостей главным образом обусловлено тем, что в модели не учитывается изменение коэффициента излучения тела накала из вольфрама. Характер изменения коэффициента излучения вольфрама является сложным и зависит от температуры, а также определяется шероховатостью поверхности тела накала.

Таким образом, экспериментальные данные удовлетворительно описываются теоретическими зависимостями, полученными в результате моделирования, что подтверждает адекватность компьютерной модели.

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ОЧАГА ВЗРЫВА

Для исследования работы системы по компьютерной модели использовались исходные данные, приведенные в таблице 1. Значения параметров датчика соответствуют лабораторному образцу, разработанному на кафедре методов и средств измерений и автоматизации Бийского технологического института (филиал) АлтГТУ.

Таблица 1 - Исходные данные для моделирования

При этом для моделирования задавалась система из четырех датчиков, установленных в верхних углах охраняемой зоны 20Ч2Ч2 м, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6 - Схема размещения системы определения координат очага взрыва на охраняемом объекте

Зависимости выходных сигналов датчиков при перемещении очага взрыва по оси Ox для заданных значений температуры Tоч=1253,15 К, диаметра очага Dоч =0,4 м и координат yоч=1 м; zоч=9,9 м показаны на рисунке 7.

Исходя из полученных данных, можно сделать вывод о том, что выходной сигнал датчика при перемещении очага взрыва вдоль оси Ox изменяется незначительно - около 20 мВ при общем уровне сигнала 0,4 В. Учитывая, что среднеквадратическое значение шума выходного сигнала датчика составляет 2,7 мВ, то для уверенного приема сигнала необходимо, чтобы величина полезного сигнала на выходе датчика составляла не менее 5,4 мВ. Следовательно, точность определения координаты по оси Ox составляет 0,6 м.

Рисунок 7 - Графики зависимости выходных сигналов датчиков при перемещении очага взрыва по оси Ox

Выходные сигналы датчиков при перемещении очага взрыва вдоль оси Oy сопоставимы по значению с выходными сигналами при перемещении очага по оси Ox, следовательно, точность определения координаты по оси Oy будет составлять 0,6 м.

Зависимости выходных сигналов датчиков при перемещении очага взрыва по оси Oz для заданных значений температуры Tоч=1253,15 К, диаметра очага Dоч =0,4 м и координат xоч=0,1 м; yоч =1 м показаны на рисунке 8.

Рисунок 8 - Графики зависимости выходных сигналов датчиков при перемещении очага взрыва по оси Oz

Из приведенных на рисунке 8 зависимостей видно, что выходные сигналы датчиков в значительной мере зависят от расстояния до очага взрыва, при его перемещении вдоль охраняемого объекта - напряжение уменьшается пропорционально квадрату расстояния до очага взрыва. Первоначальное нарастание напряжения обусловлено неполным вхождением очага в угловое поле датчика. Точность определения координаты по оси Oz составляет 0,14 м.

Зависимости выходных сигналов датчиков при изменении диаметра очага для значений температуры Tоч=1253,15 К и координат очага xоч= -1 м; yоч= 0 м; zоч= 20 м приведены на рисунке 9.

Рисунок 9 - График зависимости выходного сигнала датчика при изменении диаметра очага взрыва

Исследование выходного сигнала датчика при изменении диаметра очага взрыва позволяет установить обнаружительную способность системы. Минимальный диаметр очага, который способна зафиксировать система, равен 0,15 м.

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения работ разработана компьютерная модель системы определения координат очага взрыва на основе пространственного многоточечного анализа оптического излучения.

Решены следующие задачи:

- разработана структурная схема системы;

- разработано математическое описание модели преобразования сигнала от очага взрыва датчиком системы;

- проведено исследование работы системы на основе разработанной компьютерной модели.

Для системы определения координат очага взрыва, состоящей из четырех датчиков, расположенных в охраняемой области 20Ч2Ч2 м, определены следующие параметры:

- минимальный диаметр обнаруживаемого очага возгорания - 0,15 м при Tоч=980 °С и расстоянии до очага 20,2 м.

- погрешность определения абсциссы и ординаты очага возгорания - 0,6 м;

- погрешность определения аппликаты очага возгорания - 0,14 м.

Дальнейшая работа направлена на разработку алгоритма определения координат очага взрыва.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Шевцов, Н.Р. Взрывозащита горных выработок (курс лекций): учебное пособие для вузов / Н.Р. Шевцов. - 2-е изд., перераб. и доп. - Донецк : ДонНТУ, 2002. 280 с.

2 Optoelectronic system for determination of ignition center three-dimensional coordinates at initial STAGE / Pavlov A.N., Terentiev S.A., Povernov E.S., Sypin E.V. - 2010 11th Annual International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices, EDM'2010 - Altai, 2010. - С. 417-419.

3 Designing of optical system with cylindrical lenses of ignition center coordinates pyrometric sensor / Terentiev S.A., Pavlov A.N., Povernov E.S., Sypin E.V. // 11th Annual International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices, EDM'2010. - Altai, 2010. - С. 430-433.

4 Стрижевский, И.И. Факельные установки / И.И. Стрижевский, А.И. Эльнатанов.- М.: Химия, 1979. -184 с.

5 Experimental laboratory unit for detection of explosion characteristics of three-component gas-dispersed medium of dust-methane-air / Sidorenko A.I., Pavlov A.N., Uskova I.A., Sypin E.V. // 11th Annual International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices, EDM'2010. - Altai, 2010. - С. 426-429.

6 Якушенков, Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: учебник для студентов вузов / Ю.Г. Якушенков. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Логос, 1999. - 480 с.

7 Тарасов, В.В. Инфракрасные системы смотрящего типа /В.В. Тарасов, Ю.Г. Якушенков. -М.: Логос, 2004. - 444 с.

8 Поскачей, А.А. Оптико-электронные системы измерения температуры / А.А. Поскачей, Е.П. Чубаров. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 248 с.

9 Справочник конструктора оптико-механических приборов / В.А. Панов [и др.]. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1980. - 742 с.

Размещено на Allbest.ru